西安电子科技大学：信号与系统：chapter3

分类：电气与自动化格式：pdf 日期：2006年04月03日

信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-1页页页 ■ 电子教案电子教案第三章连续系统的频域分析 3.1信号的正交分解 3.2 周期信号的傅里叶级数 3.3 周期信号的频谱 3.4 非周期信号的频谱——傅里叶变换 3.5 傅里叶变换的性质 3.6 周期信号的傅里叶变换 3.7 LTI系统的频域分析 3.8 取样定理点击目录，进入相关章节信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-2页页页 ■ 电子教案电子教案第三章连续系统的频域分析 4.1信号的正交分解一、矢量正交与正交分解时域分析的要点是，以冲激函数为基本信号，任意输入信号可分解为一系列冲激函数；而y f (t) = h(t)*f(t)。本章将以正弦信号和虚指数信号e jωt 为基本信号，任意输入信号可分解为一系列不同频率的正弦信号或虚指数信号之和。这里用于系统分析的独立变量是频率。故称为频域分析。矢量V x = ( v x1 , v x2 , v x3 )与V y = ( v y1 , v y2 , v y3 )正交的定义：其内积为0。即 0 3 1 == ∑ =i yixiyx vvVV 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-3页页页 ■ 电子教案电子教案 3.1信号的正交分解由两两正交的矢量组成的矢量集合---称为正交矢量集如三维空间中，以矢量 v x =（2，0，0）、v y =（0，2，0）、v z =（0，0，2) 所组成的集合就是一个正交矢量集。例如对于一个三维空间的矢量A =(2，5，8)，可以用一个三维正交矢量集{v x ，v y ，v z }分量的线性组合表示。即 A= v x + 2.5 v y + 4 v z 矢量空间正交分解的概念可推广到信号空间：在信号空间找到若干个相互正交的信号作为基本信号，使得信号空间中任意信号均可表示成它们的线性组合。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-4页页页 ■ 电子教案电子教案 3.1信号的正交分解二、信号正交与正交函数集 1. 定义：定义在(t 1 ，t 2 )区间的两个函数? 1 (t)和? 2 (t),若满足 ∫ = 2 1 0d)()( * 21 t t ttt ?? (两函数的内积为0) 则称? 1 (t)和? 2 (t) 在区间(t 1 ，t 2 )内正交。 2. 正交函数集：若n个函数? 1 (t)，? 2 (t)，…，? n (t)构成一个函数集，当这些函数在区间(t 1 ，t 2 )内满足 ∫ ? ? ? =≠ ≠ = 2 1 ,0 ,0 d)()( * t t i ji jiK ji ttt ?? 则称此函数集为在区间(t 1 ，t 2 )上的正交函数集。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-5页页页 ■ 电子教案电子教案 3.1信号的正交分解 3. 完备正交函数集：如果在正交函数集{? 1 (t)，? 2 (t)，…，? n (t)}之外，不存在任何函数φ(t)(≠0）满足则称此函数集为完备正交函数集。例如：三角函数集{1，cos(nΩt)，sin(nΩt)，n=1,2,…} 和虚指数函数集{e jnΩt ，n=0，±1，±2，…}是两组典型的在区间(t 0 ，t 0 +T)(T=2π/Ω)上的完备正交函数集。 ∫ = 2 1 0d)()( t t i ttt ?? ( i =1，2，…，n) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-6页页页 ■ 电子教案电子教案 3.1信号的正交分解三、信号的正交分解设有n个函数? 1 (t)，? 2 (t)，…，? n (t)在区间(t 1 ， t 2 )构成一个正交函数空间。将任一函数f(t)用这n个正交函数的线性组合来近似，可表示为 f(t)≈C 1 ? 1 + C 2 ? 2 +…+ C n ? n 问题：如何选择各系数C j 使f(t)与近似函数之间误差在区间(t 1 ，t 2 )内为最小。通常使误差的方均值(称为均方误差)最小。均方误差为 ttCtf tt t t n j jj d])()([ 1 2 1 2 1 12 2 ∫ ∑ = ? ? = ?ε 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-7页页页 ■ 电子教案电子教案 3.1信号的正交分解为使上式最小（系数C j 变化时），有 0d)]()([ 2 1 1 2 2 ∫ ∑ = =? ? ? = ? ? t t n j jj ii ttCtf CC ? ε 展开上式中的被积函数，并求导。上式中只有两项不为0，写为 ∫ =+? ? ? 2 1 0d)]()()(2[ 22 t t iiii i ttCttfC C ?? 即 ∫∫ =+? 2 1 2 1 0d)(2d)()(2 2 t t ii t t i ttCtttf ?? 所以系数 ∫ ∫ ∫ == 2 1 2 1 2 1 d)()( 1 d)( d)()( 2 t t i i t t i t t i i tttf K tt tttf C ? ? ? 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-8页页页 ■ 电子教案电子教案 3.1信号的正交分解代入，得最小均方误差 0]d)([ 1 1 22 12 2 2 1 ≥? ? = ∑ ∫ = n j jj t t KCttf tt ε 在用正交函数去近似f(t)时，所取得项数越多，即n越大，则均方误差越小。当n→∞时（为完备正交函数集），均方误差为零。此时有 ∑ ∫ ∞ = = 1 22 2 1 d)( j jj t t KCttf 上式称为(Parseval)巴塞瓦尔定理（公式），表明：在区间(t 1 ,t 2 ) f(t)所含能量恒等于f(t)在完备正交函数集中分解的各正交分量能量的总和。 ∑ ∞ = = 1 )()( j jj tCtf ? 函数f(t)可分解为无穷多项正交函数之和信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-9页页页 ■ 电子教案电子教案 3.2傅里叶级数 4.2周期信号的傅里叶级数一、傅里叶级数的三角形式设周期信号f(t)，其周期为T，角频率?=2π/T，当满足狄里赫利(Dirichlet)条件时，它可分解为如下三角级数——称为f(t)的傅里叶级数 ∑∑ ∞ = ∞ = ?+?+= 11 0 )sin()cos( 2 )( n n n n tnbtna a tf 系数a n , b n 称为傅里叶系数 ∫ ? ?= 2 2 d)cos()( 2 T Tn ttntf T a ∫ ? ?= 2 2 d)sin()( 2 T Tn ttntf T b 可见，a n 是n的偶函数，b n 是n的奇函数。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-10页页页 ■ 电子教案电子教案 3.2傅里叶级数 ∑ ∞ = +?+= 1 0 )cos( 2 )( n nn tnA A tf ? 式中，A 0 = a 0 22 nnn baA += n n n a b arctan?=? 上式表明，周期信号可分解为直流和许多余弦分量。其中，A 0 /2为直流分量； A 1 cos(?t+? 1 )称为基波或一次谐波，它的角频率与原周期信号相同； A 2 cos(2?t+? 2 )称为二次谐波，它的频率是基波的2倍；一般而言，A n cos(n?t+? n )称为n次谐波。可见A n 是n的偶函数，? n 是n的奇函数。 a n = A n cos? n ，b n = –A n sin ? n ，n=1,2,… 将上式同频率项合并，可写为信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-11页页页 ■ 电子教案电子教案 3.2傅里叶级数二、波形的对称性与谐波特性 1 .f(t)为偶函数——对称纵坐标 ∫ ? ?= 2 2 d)cos()( 2 T Tn ttntf T a ∫ ? ?= 2 2 d)sin()( 2 T Tn ttntf T b b n =0，展开为余弦级数。 2 .f(t)为奇函数——对称于原点 a n =0，展开为正弦级数。实际上，任意函数f(t)都可分解为奇函数和偶函数两部分，即f(t) = f od (t) + f ev (t) 由于f(-t) = f od (-t) + f ev (-t) = -f od (t) + f ev (t) 所以信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-12页页页 ■ 电子教案电子教案 3.2傅里叶级数 2 )()( )( tftf tf od ?? = 2 )()( )( tftf tf v e ?+ = 3 .f(t)为奇谐函数——f(t) = –f(t±T/2) f(t) t 0 TT/2 此时其傅里叶级数中只含奇次谐波分量，而不含偶次谐波分量即a 0 =a 2 =…=b 2 =b 4 =…=0 三、傅里叶级数的指数形式三角形式的傅里叶级数，含义比较明确，但运算常感不便，因而经常采用指数形式的傅里叶级数。可从三角形式推出：利用cosx=(e jx + e –jx )/2 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-13页页页 ■ 电子教案电子教案 3.2傅里叶级数 ∑ ∞ = +??+? ++= 1 )()( 0 ]e[e 22 n tnjtnj n nn AA ?? ∑∑ ∞ = ??? ∞ = ? ++= 11 0 ee 2 1 ee 2 1 2 n tjnj n n tjnj n nn AA A ?? ∑ ∞ = +?+= 1 0 )cos( 2 )( n nn tnA A tf ? 上式中第三项的n用–n代换，A –n =A n ，? –n = – ? n ，则上式写为 ∑∑ ?∞ ?= ? ∞ = ? ++ 11 0 ee 2 1 ee 2 1 2 n tjnj n n tjnj n nn AA A ?? 令A 0 =A 0 e j? 0 e j0?t ，? 0 =0 ∑ ∞ ?∞= ? = n tjnj n n Atf ee 2 1 )( ? 所以信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-14页页页 ■ 电子教案电子教案 3.2傅里叶级数令复数 nn j n FFA nn == ?? ee 2 1 称其为复傅里叶系数，简称傅里叶系数。 )( 2 1 )sincos( 2 1 2 1 nnnnnn j nn jbajAAeAF n ?=+== ?? ? ∫∫∫ ?? ?? =???= 2 2 2 2 2 2 de)( 1 d)sin()( 1 d)cos()( 1 T T tjn T T T T ttf T ttntf T jttntf T ∑ ∞ ?∞= ? = n tjn n Ftf e)( n = 0, ±1, ±2，… ∫ ?? = 2 2 de)( 1 T T tjn n ttf T F 表明：任意周期信号f(t)可分解为许多不同频率的虚指数信号之和。F n 是频率为n?的分量的系数，F 0 = A 0 /2 为直流分量。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-15页页页 ■ 电子教案电子教案 3.2傅里叶级数四、周期信号的功率——Parseval等式 ∑∑ ∫ ∞ ?∞= ∞ = =+= n n n n T FA A dttf T 2 1 220 0 2 || 2 1 ) 2 ()( 1 含义：直流和n次谐波分量在1?电阻上消耗的平均功率之和。 n≥0时，|F n | = A n /2。周期信号一般是功率信号，其平均功率为信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-16页页页 ■ 电子教案电子教案 3.3周期信号的频谱 4.3周期信号的频谱及特点一、信号频谱的概念从广义上说，信号的某种特征量随信号频率变化的关系，称为信号的频谱，所画出的图形称为信号的频谱图。周期信号的频谱是指周期信号中各次谐波幅值、相位随频率的变化关系，即将A n ~ω和? n ~ω的关系分别画在以ω为横轴的平面上得到的两个图，分别称为振幅频谱图和相位频谱图。因为n≥0，所以称这种频谱为单边谱。也可画|F n |~ω和? n ~ω的关系，称为双边谱。若 F n 为实数，也可直接画F n 。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-17页页页 ■ 电子教案电子教案 3.3周期信号的频谱例：周期信号f(t) = 试求该周期信号的基波周期T，基波角频率Ω，画出它的单边频谱图，并求f(t) 的平均功率。 ? ? ? ? ? ? ?+ ? ? ? ? ? ? ?? 63 sin 4 1 3 2 4 cos 2 1 1 ππππ tt 解首先应用三角公式改写f(t)的表达式，即 ? ? ? ? ? ? ??+ ? ? ? ? ? ? +?+= 263 cos 4 1 3 2 4 cos 2 1 1)( πππ π ππ tttf 显然1是该信号的直流分量。 ? ? ? ? ? ? + 34 cos 2 1 ππ t 的周期T 1 = 8 ? ? ? ? ? ? ? 3 2 3 cos 4 1 ππ 的周期T 2 = 6 所以f(t)的周期T = 24，基波角频率Ω=2π/T = π/12 根据帕斯瓦尔等式，其功率为P= 32 37 4 1 2 1 2 1 2 1 1 22 = ? ? ? ? ? ? + ? ? ? ? ? ? + 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-18页页页 ■ 电子教案电子教案 3.3周期信号的频谱 ? ? ? ? ? ? + 34 cos 2 1 ππ t 是f(t)的[π/4]/[π/12 ]=3次谐波分量； ? ? ? ? ? ? ? 3 2 3 cos 4 1 ππ 是f(t)的[π/3]/[π/12 ]=4次谐波分量；画出f(t)的单边振幅频谱图、相位频谱图如下图： (a) (b) o An 12 π 6 π 4 π 3 π 2 0 A 2 1 4 1 ω o ω 3 π 3 π 4 π 6 π 12 π 3 2π ? n ? 1 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-19页页页 ■ 电子教案电子教案 3.3周期信号的频谱二、周期信号频谱的特点举例：有一幅度为1，脉冲宽度为τ的周期矩形脉冲，其周期为T，如图所示。求频谱。 f(t) t 0 T-T … 1 2 τ ? 2 τ t T ttf T F T T tjn T T tjn n de 1 de)( 1 2 2 2 2 ∫∫ ? ?? ? ?? == 2 2 sin τ τ τ ? ? = n n T 令Sa(x)=sin(x)/x (取样函数） ? ? = ?? = ? ?? n n TjnT tjn ) 2 sin( 2e1 2 2 τ τ τ 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-20页页页 ■ 电子教案电子教案 3.3周期信号的频谱 )() 2 ( T n Sa T n Sa T F n πττττ = ? = , n = 0 ,±1，±2，… F n 为实数，可直接画成一个频谱图。设T = 4τ画图。零点为 π τ m n = ? 2 所以 τ πm n 2 =?，m为整数。 Fn ω 0 τ π2 τ π2 ? τ π4 4 1 特点：(1)周期信号的频谱具有谐波(离散)性。谱线位置是基频Ω的整数倍；(2)一般具有收敛性。总趋势减小。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-21页页页 ■ 电子教案电子教案 3.3周期信号的频谱谱线的结构与波形参数的关系： (a) T一定，τ变小，此时?（谱线间隔）不变。两零点之间的谱线数目：ω 1 /?=（2π/τ）/(2π/T)=T/τ增多。 (b) τ一定，T增大，间隔?减小，频谱变密。幅度减小。如果周期T无限增长（这时就成为非周期信号），那么，谱线间隔将趋近于零，周期信号的离散频谱就过渡到非周期信号的连续频谱。各频率分量的幅度也趋近于无穷小。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-22页页页 ■ 电子教案电子教案 3.4 傅里叶变换 4.4非周期信号的频谱—傅里叶变换一、傅里叶变换非周期信号f(t)可看成是周期T→∞时的周期信号。前已指出当周期T趋近于无穷大时，谱线间隔?趋近于无穷小，从而信号的频谱变为连续频谱。各频率分量的幅度也趋近于无穷小，不过，这些无穷小量之间仍有差别。为了描述非周期信号的频谱特性，引入频谱密度的概念。令 TF T F jF n T n T ∞→∞→ == lim /1 lim)( ω (单位频率上的频谱）称F(jω)为频谱密度函数。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-23页页页 ■ 电子教案电子教案 3.4 傅里叶变换 ∫ ? ?? = 2 2 de)( T T tjn n ttfTF ∑ ∞ ?∞= ? = n tjn n T TFtf 1 e)( 考虑到：T→∞，Ω→无穷小，记为dω； n Ω→ω（由离散量变为连续量），而 π ω π 2 d 2 1 → ? = T 同时，∑→∫ 于是， ∫ ∞ ∞? ? ∞→ == ttfTFjF tj n T de)(lim)( ω ω ∫ ∞ ∞? = ωω π ω de)( 2 1 )( tj jFtf 傅里叶变换式“-” 傅里叶反变换式 F(jω)称为f(t)的傅里叶变换或频谱密度函数，简称频谱。 f(t)称为F(jω)的傅里叶反变换或原函数。根据傅里叶级数信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-24页页页 ■ 电子教案电子教案 3.4 傅里叶变换也可简记为 F(jω) = F [f(t)] f(t) = F –1 [F(jω)] 或f(t) ←→F(jω) F(jω)一般是复函数，写为 F(jω) = | F(jω)|e j ?(ω) = R(ω) + jX(ω) 说明： (1)前面推导并未遵循严格的数学步骤。可证明，函数 f(t)的傅里叶变换存在的充分条件: ∫ ∞ ∞? ∞<ttf d)( (2)用下列关系还可方便计算一些积分 ∫ ∞ ∞? = dttfF )()0( ∫ ∞ ∞? = ωω π d)( 2 1 )0( jFf 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-25页页页 ■ 电子教案电子教案 3.4 傅里叶变换二、常用函数的傅里叶变换 1.单边指数函数f(t) = e –αt ε(t)，α >0 1 0t f(t) ωαωα ω ωα ωα jj tjF tj tjt + = + ?== ∞+? ∞ ?? ∫ 1 e 1 dee)( 0 )( 0 2. 双边指数函数f(t) = e –α�t� , α >0 1 0t f(t) 22 0 0 211 deedee)( ωα α ωαωα ω ωαω α + = + + ? =+= ∫∫ ∞ ?? ∞? ? jj ttjF tjttj t 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-26页页页 ■ 电子教案电子教案 3.4 傅里叶变换 3. 门函数(矩形脉冲) ? ? ? ? ? > ≤ = 2 ,0 2 ,1 )( τ τ τ t t tg 1 0t gτ (t) 2 τ ? 2 τ ω ω τ ω τ ω τ τ ω j tjF jj tj ? ? == ? ? ? ∫ 22 2/ 2/ ee de)( ) 2 Sa( ) 2 sin(2 ωτ τ ω ωτ == 4. 冲激函数δ(t)、δ′(t) 1de)()( =←→ ∫ ∞ ∞? ? ttt tjω δδ ωδδ ωω j t ttt t tjtj =?=←→ = ? ∞ ∞? ? ∫ 0 e d d de)(')(' 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-27页页页 ■ 电子教案电子教案 3.4 傅里叶变换 5. 常数1 有一些函数不满足绝对可积这一充分条件，如1，ε(t) 等，但傅里叶变换却存在。直接用定义式不好求解。可构造一函数序列{f n (t)}逼近f (t)，即而f n (t)满足绝对可积条件，并且{f n (t)}的傅里叶变换所形成的序列{F n (jω)}是极限收敛的。则可定义f(t)的傅里叶变换F(jω)为 )(lim)( tftf n n ∞→ = )(lim)( ωω jFjF n n ∞→ = 这样定义的傅里叶变换也称为广义傅里叶变换。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-28页页页 ■ 电子教案电子教案 3.4 傅里叶变换构造f α (t)=e -α?t? ，α> 0←→ 22 2 )( ωα α ω α + =jF )(lim1)( 0 tftf α α → == 所以 ? ? ? =∞ ≠ = + == →→ 0, 0,0 2 lim)(lim)( 22 00 ω ω ωα α ωω α α α jFjF 又 π α ω α ω α ω ω ωα α ααα 2arctan2lim 1 2 lim 2 lim 0 2 0 22 0 == ? ? ? ? ? ? + = + ∞ ∞? → ∞ ∞?→ ∞ ∞?→ ∫∫ dd 因此，1←→2πδ(ω) 另一种求法：δ(t)←→1代入反变换定义式，有 )(de 2 1 t tj δω π ω = ∫ ∞ ∞? 将ω→t，t→-ω )(de 2 1 ωδ π ω ?= ∫ ∞ ∞? ? t tj 再根据傅里叶变换定义式，得 )(2)(2de1 ωπδωπδ ω =?=←→ ∫ ∞ ∞? ? t tj 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-29页页页 ■ 电子教案电子教案 6. 符号函数 3.4 傅里叶变换 ? ? ? > <? = 0,1 0,1 )sgn( t t t 1 0t sgn(t) -1 0 0,e 0,e )( > ? ? ? > <? = ? α α α α t t tf t t )(lim)sgn( 0 tft α α → = 22 211 )()( ωα ω ωαωα ω αα + ?= ? ? + =←→ j jj jFtf ωωα ω ω α α α j j jFt 22 lim)(lim)sgn( 22 00 = ? ? ? ? ? ? + ?=←→ →→ 7. 阶跃函数ε(t) ω ωπδε j tt 1 )()sgn( 2 1 2 1 )( +←→+= 1 0t ε (t) 构造信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-30页页页 ■ 电子教案电子教案 3.4 傅里叶变换归纳记忆： 1. F 变换对 2. 常用函数F 变换对： t 域 ω 域 ∫ ∞ ?∞ ? = tetfjF tj d)()( ω ω ∫ ∞ ?∞ = ωω π ω d)( 2 1 )( tj ejFtf δ(t) ε(t) ω ωδπ j 1 )( + e -αt ε(t) αω +j 1 g τ (t) ? ? ? ? ? ? ? ? 2 τω τ Sa sgn (t) ωj 2 e –α|t| ε(t) 22 2 ωα α + 1 1 2πδ(ω) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-31页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 4.5傅里叶变换的性质一、线性(Linear Property) If f 1 (t) ←→F 1 (jω)，f 2 (t) ←→F 2 (jω) then Proof: F [a f 1 (t) + b f 2 (t)] ∫ ∞ ?∞ ? += ttbftaf tj de)]()([ 21 ω ∫∫ ∞ ?∞ ∞ ?∞ ?? += ttfttf tjtj de)(bde)(a 11 ωω = [a F 1 (jω) + b F 2 (jω) ] [a f 1 (t) + b f 2 (t) ] ←→[a F 1 (jω) + b F 2 (jω) ] 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-32页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 For example F(jω) = ? 0 f ( t ) t 1-1 1 Ans: f (t) = f 1 (t) – g 2 (t) f 1 (t) = 1 ←→2πδ(ω) g 2 (t) ←→2Sa(ω) ∴F(jω) = 2πδ(ω) - 2Sa(ω) ‖ 0 f 1( t ) t 1 0 g2 ( t ) t1-1 1 - 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-33页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质二、时移性质(Time shifting Property) If f (t) ←→F(jω) then where “t 0 ” is real constant. )(e)( 0 0 ω ω jFttf tj? ←→? Proof: F [ f (t – t 0 ) ] ∫ ∞ ?∞ ? ?= tttf tj de)( 0 ω ∫ ∞ ?∞ ?? =? = 0 0 ede)( tjj tt f ωτω τ ττ )(e 0 ω ω jF tj? = 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-34页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 For example F(jω) = ? f 1 (t) = g 6 (t - 5) , f 2 (t) = g 2 (t - 5) g 6 (t - 5) ←→ g 2 (t - 5) ←→ ∴F(jω) = ω ω 5 e)3Sa(6 j? ω ω 5 e)Sa(2 j? ω ωω 5 e)]Sa(2)3Sa(6[ j? + 0 f ( t ) t 2 -1 2 1 468 ‖ 0 f1 ( t ) t 2 2 1 468 + 0 f2 ( t ) t 2 2 1 468 Ans: f (t) = f 1 (t) + f 2 (t) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-35页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质三、对称性质(Symmetrical Property) If f (t) ←→F(jω) then Proof: ∫ ∞ ?∞ = ωω π ω de)( 2 1 )( tj jFtf （1） in (1) t →ω，ω→t then ∫ ∞ ?∞ = tjtFf tj de)( 2 1 )( ω π ω （2） in (2) ω→-ωthen ∫ ∞ ?∞ ? =? tjtFf tj de)( 2 1 )( ω π ω ∴F(j t) ←→2πf (–ω) end F( jt ) ←→2πf (–ω) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-36页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 For example ←→F(jω) = ? 2 1 1 )( t tf + = Ans: 22 || 2 e ωα α α + ←→ ? t if α=1, 2 || 1 2 e ω+ ←→ ? t ∴ || 2 e2 1 2 ω π ? ←→ + t || 2 e 1 1 ω π ? ←→ + t * if 22 32 )( 2 2 +? +? = tt tt tf F(jω) = ? 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-37页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质四、频移性质(Frequency Shifting Property) If f (t) ←→F(jω) then Proof: where “ω 0 ” is real constant. F [e jω 0 t f(t)] ∫ ∞ ?∞ ? = ttf tj tj de)(e 0 ω ω ∫ ∞ ?∞ ?? = ttf tj de)( )( 0 ωω = F[ j(ω-ω 0 )] end )(e)]([ 0 0 tfjF tjω ωω ←→? For example 1 f(t) = e j3t ←→F(jω) = ? Ans: 1 ←→2πδ(ω) e j3t ×1←→2πδ(ω-3) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-38页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 For example 2 f(t) = cosω 0 t←→F(jω) = ? Ans: tjtj tf 00 e 2 1 e 2 1 )( ωω ? += F(jω) = π[δ(ω+ω 0 )+ δ(ω-ω 0 )] For example 3 Given that f(t) ←→F(jω) The modulated signal f(t) cosω 0 t ←→? 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-39页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质五、尺度变换性质(Scaling Transform Property) If f (t) ←→F(jω) then where “a” is a nonzero real constant. Proof: F [ f (a t ) ] = ∫ ∞ ?∞ ? teatf tj d)( ω For a > 0 , F [ f (a t ) ] ∫= ∞ ?∞ ? = ττ τ ω τ d 1 e)( a f a j at ? ? ? ? ? ? = a jF a ω1 for a < 0 , F [ f (a t ) ] ∫∫= ∞ ?∞ ? ?∞ ∞ ? = ?= ττττ τ ω τ ω τ de)( 1 d 1 e)( a j a j at f aa f ? ? ? ? ? ? ?= a jF a ω1 That is , f (at ) ←→ ? ? ? ? ? ? a jF a ω || 1 Also,letting a = -1, f (-t ) ←→F( -jω) ? ? ? ? ? ? ←→ a jF a atf ω || 1 )( 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-40页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 For example 1 Given that f (t)←→F( jω), find f (at – b) ←→? Ans: f (t – b)←→e -jωb F( jω) f (at – b) ←→ ? ? ? ? ? ? ? a jF a b a j ω ω e || 1 or f (at) ←→ ? ? ? ? ? ? a jF a ω || 1 f (at – b) = ? ? ? ? ? ? ? )( a b taf ? ? ? ? ? ? ←→ ? a jFe a b a j ω ω || 1 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-41页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 For example 2 f(t) = ←→F(jω) = ? 1 1 ?jt Ans: 1 1 )(e + ←→ ? ω ε j t t )(e2 1 1 ωεπ ω ?←→ +jt )(e2 1 1 ωεπ ω? ←→ +? jt Using symmetry, using scaling property with a = -1, so that, 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-42页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质六、卷积性质(Convolution Property) 1、Convolution in time domain： If f 1 (t) ←→F 1 (jω)，f 2 (t) ←→F 2 (jω) Then f 1 (t)*f 2 (t) ←→F 1 (jω)F 2 (jω) 2、Convolution in frequency domain： If f 1 (t) ←→F 1 (jω)，f 2 (t) ←→F 2 (jω) Then f 1 (t) f 2 (t) ←→F 1 (jω)*F 2 (jω) π2 1 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-43页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 Proof: ∫ ∞ ∞? ?= τττ d)()()(*)( 2121 tfftftf F [ f 1 (t)*f 2 (t) ]= ∫∫∫∫ ∞ ∞? ? ∞ ∞? ? ∞ ∞? ∞ ∞? ?= ? ? ? ? ? ? ? ττττττ ωω d]de)()[(ded)()( 2121 ttffttff tjtj Using time shifting τωω ωτ jtj jFttf ?? ∞ ∞? =? ∫ e)(de)( 22 So that, F [ f 1 (t)*f 2 (t) ]= ∫∫ ∞ ∞? ? ∞ ∞? ? = ττωτωτ τωτω de)()(de)()( 1221 jj fjFjFf = F 1 (jω)F 2 (jω) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-44页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 For example ?)( sin 2 =←→ ? ? ? ? ? ? ωjF t t Ans: )Sa(2)( 2 ω←→tg Using symmetry, )(2)Sa(2 2 ωπ ?←→ gt )()Sa( 2 ωπ gt ←→ )(*)( 2 )]([*)]([ 2 1sin 2222 2 ωω π ωπωπ π gggg t t =←→ ? ? ? ? ? ? g2(ω)*g2(ω) 2 2-20 ω F(jω) π 2-20 ω 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-45页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质七、时域的微分和积分 (Differentiation and Integration in time domain) If f (t) ←→F(jω) then )()()( )( ωω jFjtf nn ←→ ω ω ωδπ j jF Fxxf t )( )()0(d)( +←→ ∫ ∞? ∫ ∞ ∞? = == ttfjFF d)()()0( 0ω ω Proof: f (n) (t) = δ (n) (t)*f(t) ←→(j ω) n F(jω) f (-1) (t)= ε(t)*f(t) ←→ ω ω ωδπω ω ωδπ j jF FjF j )( )()0()(] 1 )([ +=+ 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-46页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 f(t)= 1/t 2 ←→? For example 1 Ans: ωj t 2 )sgn( ←→ )sgn(2 2 ωπ ?←→ jt )sgn( 1 ωπj t ?←→ )sgn()sgn()( 1 d d ωωπωπω =?←→ ? ? ? ? ? ? jj tt ||)sgn( 1 2 ωπωωπ ?=?←→ t 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-47页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 For example 2 Given that f ′(t)←→F 1 (jω) Proof f (t)←→F 1 (jω) + π[f(-∞)+ f(∞)]δ(ω) ωj 1 )()]()([)( 1 )(d d )(d )( 1 d d )(d )()( 1 1 ωδπω ω ωδπω ω ?∞?∞+= +←→=?∞? ∫∫ ∞ ∞?∞? ffjF j t t tf jF j t t tf ftf t Proof )()]()([)( 1 )()(2)( 1 ωδπω ω ωδπω ?∞?∞+=?∞? ffjF j fjF So )()]()([)( 1 )( 1 ωδπω ω ω ?∞+∞+= ffjF j jF Summary: if f (n) (t)←→F n (jω)，and f(-∞)+ f(∞) = 0 Then f (t)←→F (jω) = F n (jω)/ (jω) n 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-48页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 For example 3 f(t) 2-20 t 2 Determine f (t)←→F (jω) f '(t) t 2-20 -1 1 t 2-2 (1) (1) (-2) f "(t) Ans: f ”(t) = δ(t+2) – 2 δ(t) + δ(t –2) F 2 (jω)= F [f ”(t)] = e j2ω –2 + e –j2ω = 2cos(2ω) – 2 F (jω) = 22 2 )2cos(22 )( )( ω ω ω ω ? = j jF Notice: dε(t)/dt = δ(t) ←→1 ε(t) ←×→1/(jω) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-49页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质八、频域的微分和积分 (Differentiation and Integration in frequency domain) If f (t) ←→F(jω) then (–jt) n f (t) ←→F (n) (jω) ∫ ∞? ←→ ? + ω δπ xjxFtf jt tf d)()( 1 )()0( where ∫ ∞ ∞? = ωω π d)( 2 1 )0( jFf For example 1 Determine f (t) = tε(t)←→F (jω)=? ω ωπδε j t 1 )()( +←→ Ans: ? ? ? ? ? ? +←→? ω ωπδ ω ε j tjt 1 )( d d )( 2 1 )(')( ω ωπδε ?←→ jtt 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-50页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质 Notice: tε(t) =ε(t) * ε(t)←→ ? ? ? ? ? ? +× ? ? ? ? ? ? + ω ωπδ ω ωπδ jj 1 )( 1 )( It’s wrong. Because δ(ω)δ(ω) and (1/jω)δ(ω) is not defined. For example 2 Determine ω ω ω d )sin( ∫ ∞ ∞? a Ans: ω ω)sin(2 )( 2 a tg a ←→ ∫∫ ∞ ∞? ∞ ∞? == ω ω ω π ω ω ω π ωω de )sin(1 de )sin(2 2 1 )( 2 tjtj a aa tg ∫ ∞ ∞? = ω ω ω π d )sin(1 )0( 2 a g a 2 d )sin( 0 π ω ω ω = ∫ ∞ a 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-51页页页 ■ 电子教案电子教案九、帕斯瓦尔关系 (Parseval’s Relation for Aperiodic Signals) ∫∫ ∞ ∞? ∞ ∞? == ωω π d)( 2 1 d)( 22 jFttfE Proof ∫∫ ∞ ∞? ∞ ∞? == ttftfttfE d)()(d)( * 2 ∫∫ ∞ ∞? ∞ ∞? ? ? ? ? ? ? ? = tjFtf tj dde)( 2 1 )( * ωω π ω ∫∫ ∞ ∞? ∞ ∞? ? ? ? ? ? ? ? = ωω π ω dde)()( 2 1 * ttfjF tj ∫∫ ∞ ∞? ∞ ∞? == ωω π ωωω π d|)(| 2 1 d)()( 2 1 2* jFjFjF |F(jω)| 2 is referred to as the energy-density spectrum of f(t). 单位频率上的频谱(能量密度谱）J·s 3.5 傅里叶变换的性质信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-52页页页 ■ 电子教案电子教案 For example Determine the energy of t t t π 5sin )997cos(2 Ans: )( 5sin 10 ω π g t t ←→ )997()997( 5sin )997cos(2 1010 ++?←→ ωω π gg t t t ππ 10 )1010( 2 1 d)( 2 =+== ∫ ∞ ∞? ttfE 3.5 傅里叶变换的性质信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-53页页页 ■ 电子教案电子教案 3.5 傅里叶变换的性质十、奇偶性(Parity) If f(t) is real, then ∫∫∫ ∞ ∞? ∞ ∞? ∞ ∞? ? ?== tttfjtttfttfjF tj d)sin()(d)cos()(de)()( ωωω ω = R(ω) + jX(ω) )()(|)(| 22 ωωω XRjF += ? ? ? ? ? ? ? ? = )( )( arctan)( ω ω ω? R X So that (1)R(ω)= R(–ω) , X(ω) = – X (–ω) |F(jω)| = |F(– jω)| , ? (ω) = – ?(–ω) (2) If f(t) = f(-t) ,then X(ω) = 0, F(jω) = R(ω) If f(t) = -f(-t) ,then R(ω) = 0, F(jω) = jX(ω) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-54页页页 ■ 电子教案电子教案 4.6周期信号的傅里叶变换 3.6周期信号傅里叶变换一、正、余弦的傅里叶变换 1←→2πδ(ω) 由频移特性得 e j ω 0 t ←→2πδ(ω–ω 0 ) e –j ω 0 t ←→2πδ(ω+ω 0 ) cos(ω 0 t)=?(e j ω 0 t + e –j ω 0 t ) ←→ π[δ(ω–ω 0 ) +δ(ω+ω 0 )] sin(ω 0 t)= (e j ω 0 t + e –j ω 0 t )/(2j) ←→ jπ[δ(ω+ω 0 ) –δ(ω–ω 0 )] 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-55页页页 ■ 电子教案电子教案 3.6周期信号傅里叶变换二、一般周期信号的傅里叶变换 ∑ ∞ ?∞= ? = n tjn nT Ftf e)( ∫ ? ?? = 2 2 de)( 1 T T tjn Tn ttf T F ∑∑ ∞ ?∞= ∞ ?∞= ? ??=←→= n nT n tjn nT nFjFFtf )(2)(e)( ωδπω 例1：周期为T的单位冲激周期函数δ T (t)= ∑ ∞ ?∞= ? m mTt )(δ T dtetf T F T T tjn n 1 )( 1 2 2 == ∫ ? ?? 解： )()()( 2 )( ωδωδωδ π δ ? ∞ ?∞= ∞ ?∞= ?=???=??←→ ∑∑ nn T nn T t (1) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-56页页页 ■ 电子教案电子教案 3.6周期信号傅里叶变换例2：周期信号如图，求其傅里叶变换。 0-11 f(t) t 1 4-4 … … 解：周期信号f(t)也可看作一时限非周期信号f 0 (t)的周期拓展。即 f(t) = δ T (t)* f 0 (t) F(jω) = Ωδ Ω (ω) F 0 (jω) ∑ ∞ ?∞= ????= n njnF )()( 0 ωδ F(jω) = ∑∑ ∞ ?∞= ∞ ?∞= ?=???? nn nn nn ) 2 () 2 Sa()()Sa(2 π ωδ π πωδ 本题f 0 (t) = g 2 (t)←→ )Sa(2 ω 2 2 ππ ==? T (2) (2)式与上页(1)式比较，得 ) 2 ( 1 )( 2 00 T n jF T jnFF n π π =? ? = 这也给出求周期信号傅里叶级数的另一种方法。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-57页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7复习：傅里叶变换归纳记忆： 1. F 变换对 2. 常用函数F 变换对： t 域 ω 域 ∫ ∞ ?∞ ? = tetfjF tj d)()( ω ω ∫ ∞ ?∞ = ωω π ω d)( 2 1 )( tj ejFtf δ(t) ε(t) ω ωδπ j 1 )( + e -αt ε(t) αω +j 1 g τ (t) ? ? ? ? ? ? ? ? 2 τω τ Sa sgn (t) ωj 2 e –α|t| ε(t) 22 2 ωα α + 1 1 2πδ(ω) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-58页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析 3.7 LTI系统的频域分析傅里叶分析是将任意信号分解为无穷多项不同频率的虚指数函数之和。 ∑ ∞ ?∞= ? = n tjn n Ftf e)( 对周期信号：对非周期信号： ∫ ∞ ∞? = ωω π ω de)( 2 1 )( tj jFtf 其基本信号为e j ωt 一、基本信号e j ωt 作用于LTI系统的响应说明：频域分析中，信号的定义域为(–∞，∞)，而t= –∞总可认为系统的状态为0，因此本章的响应指零状态响应，常写为y(t)。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-59页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析设LTI系统的冲激响应为h(t)，当激励是角频率ω的基本信号e j ωt 时，其响应 tj jtj hhty ω ωττω ττττ ede)(de)()( )( ?== ∫∫ ∞ ∞? ? ∞ ∞? ? 而上式积分正好是h(t)的傅里叶变换，记为H(j ω)，常称为系统的频率响应函数。所以： ∫ ∞ ∞? ? ττ ωτ de)( j h y(t) = H(j ω) e j ωt H(j ω)反映了响应y(t)的幅度和相位。 y(t) = h(t)* e j ωt 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-60页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析二、一般信号f(t)作用于LTI系统的响应 e j ωt H(j ω) e j ωt π2 1 F(j ω) d ω e j ωt π2 1 F(j ω)H(j ω) d ω e j ωt 齐次性 ∫ ∞ ∞? ωω π ω de)( 2 1 tj jF ∫ ∞ ∞? ωωω π ω de)()( 2 1 tj jFjH 可加性 ‖ f(t) ‖ y(t) =F –1 [F(j ω)H(j ω) ] Y(j ω) = F(j ω)?H(j ω) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-61页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析 LTI * h(t) = ②傅氏变换 ③傅氏反变换 f (t) ①傅氏变换 ×＝ y(t) F(jω) H(jω) Y(jω) 频率响应H(jω)可定义为系统零状态响应的傅里叶变换Y(jω)与激励f(t)的傅里叶变换F(jω)之比，即 )( )( )( ω ω ω jF jY jH = )]()([ )( )( )( )()( ω?ω? ωθ ω ω ωω fy j j e jF jY ejHjH ? == ?H(jω)?称为幅频特性（或幅频响应）；θ(ω)称为相频特性（或相频响应）。?H(jω)?是ω的偶函数，θ(ω) 是ω的奇函数。频域分析法步骤：傅里叶变换法信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-62页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析对周期信号还可用傅里叶级数分析法：周期信号∑ ∞ ?∞= ? = n tjn nT Ftf e)( ∑∑ ∞ ?∞= ? ∞ ?∞= ? ?=== n tjn n n tjn nT jnHFthFtfthty e)(]e*)([)(*)()( 若 ∑ ∞ = +?+= 1 0 )cos( 2 )( n nnT tnA A tf ? )( )()( ωθ ωω j ejHjH = 则可推导出 ∑ ∞ = ?++??+= 1 0 )](cos[|)(|)0( 2 )( n nn ntnjnHAH A ty θ? 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-63页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析例：某LTI系统的?H(jω)?和θ(ω)如图，若f(t)= 2 + 4cos(5t) + 4cos(10t)，求系统的响应。 |H(jω)| θ(ω) ω 10 -10 0 π 1 -π 解法一：用傅里叶变换 F(jω) = 4πδ(ω) + 4π[δ(ω–5) + δ(ω+5)] + 4π[δ(ω–10) + δ(ω+10)] Y(jω) = F(jω)H(jω) = 4πδ(ω) H(0) + 4π[δ(ω–5) H(j5) + δ(ω+5) H(-j5)] + 4π[δ(ω–10) H(j10) + δ(ω+10) H(-j10) ] H(jω)=?H(jω)? ejθ(ω) = 4πδ(ω) + 4π[-j0.5δ(ω–5) + j0.5δ(ω+ 5) ] y(t) = F -1 [Y(jω) ]= 2 + sin(5t) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-64页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析解法二：用三角傅里叶级数分析法求解 f(t)的基波角频率Ω=5rad/s f(t)= 2 + 4cos(Ωt) + 4cos(2Ωt) H(0) =1，H(jΩ) = 0.5e -j0.5π ，H(j2Ω) = 0 y(t) = 2 + 4×0.5cos(Ωt – 0.5π) = 2 + 2sin(5t) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-65页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析三、频率响应H(jω)的求法 1. H(jω) = F [h(t)] 2. H(jω) = Y(jω)/F(jω) (1)由微分方程求，对微分方程两边取傅里叶变换。 (2)由电路直接求出。例1：某系统的微分方程为 y′(t) + 2y(t) = f(t) 求f(t) = e -t ε(t)时的响应y(t)。解：微分方程两边取傅里叶变换 jωY(jω) + 2Y(jω) = F(jω) 2 1 )( )( )( + == ωω ω ω jjF jY jH 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-66页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析 f(t) = e -t ε(t)←→ 1 1 )( + = ω ω j jF Y(jω) = H(jω)F(jω) 2 1 1 1 )2)(1( 1 + ? + = ++ = ωωωω jjjj y(t) = (e -t –e -2t )ε(t) 例2：如图电路，R=1Ω，C=1F，以u C (t)为输出，求其 h(t)。 uC(t)uS(t) C R 解：画电路频域模型 US(jω) R UC(jω) Cjω 1 1ω 1 ω 1 ω 1 )( )( )( + = + == j Cj R Cj jU jU jH S C ω ω ω h(t)= e -t ε(t) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-67页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析四、无失真传输与滤波系统对于信号的作用大体可分为两类：一类是信号的传输，一类是滤波。传输要求信号尽量不失真，而滤波则要求滤去或削弱不需要的成分，必然伴随着失真。 1、无失真传输（1）定义：信号无失真传输是指系统的输出信号与输入信号相比，只有幅度的大小和出现时间的先后不同，而没有波形上的变化。即输入信号为f(t)，经过无失真传输后，输出信号应为 y(t) = K f(t–t d ) 其频谱关系为Y(jω)=Ke –jωt d F(jω) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-68页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析系统要实现无失真传输，对系统h(t)，H(jω)的要求是： (a)对h(t)的要求： h(t)=Kδ(t – t d ) (b)对H(jω)的要求： H(jω)=Y(jω)/F(jω)=Ke -jωt d 即 ?H(jω)?=K ,θ(ω)= – ωt d K |H(jω)| θ (ω) ω 0 上述是信号无失真传输的理想条件。当传输有限带宽的信号是，只要在信号占有频带范围内，系统的幅频、相频特性满足以上条件即可。 (2)无失真传输条件：信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-69页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析例：系统的幅频特性 |H(jω)|和相频特性如图(a)(b)所示，则下列信号通过该系统时，不产生失真的是 (a) (b) 10 -10 π5 -5 0 0 ω ω |H(jω)| θ(ω) 5 -5 (A) f(t) = cos(t) + cos(8t) (B) f(t) = sin(2t) + sin(4t) (C) f(t) = sin(2t) sin(4t) (D) f(t) = cos 2 (4t) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-70页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析 2、理想低通滤波器 1 |H(jω)| θ (ω) ω 0ωC-ωC 具有如图所示幅频、相频特性的系统称为理想低通滤波器。 ω c 称为截止角频率。理想低通滤波器的频率响应可写为： d C d tj C C tj gjH ω ω ω ω ωω ωω ω ? ? = ? ? ? ? ? > < = e)( ,0 ,e )( 2 (1)冲激响应 h(t)= ? -1 [g 2 ω c (ω)e -jωt d ]= )](Sa[ dc c tt ?ω π ω 可见，它实际上是不可实现的非因果系统(why?)。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-71页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析 (2)阶跃响应 g(t)=h(t)*ε(t)= τ τω τω π ω ττ d )( )](sin[ d)( dc dc t c t t t h ? ? = ∫∫ ∞?∞? 经推导，可得 ∫ ? += )( 0 sin1 2 1 )( dc tt dx x x tg ω π x x x y y d sin )Si( 0 ∫ = 称为正弦积分 )](Si[ 1 2 1 )( dC tttg ?+= ω π 1 td C d t ω π + g(t) 0 t 特点：有明显失真，只要ω c <∞，则必有振荡，其过冲比稳态值高约9%。这一由频率截断效应引起的振荡现象称为吉布斯现象。 g max =0.5+Si(π)/π=1.0895 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-72页页页 ■ 电子教案电子教案 3.7 LTI系统的频域分析 3、物理可实现系统的条件就时域特性而言，一个物理可实现的系统，其冲激响应在t<0时必须为0，即h(t)=0 ,t<0 即响应不应在激励作用之前出现。就频域特性来说，佩利（Paley)和维纳（Wiener)证明了物理可实现的幅频特性必须满足 ∫ ∞ ∞? ∞<ωω djH 2 )( ∫ ∞ ∞? ∞< + ω ω ω d jH 2 1 )(ln 并且称为佩利-维纳准则。（必要条件）从该准则可看出，对于物理可实现系统，其幅频特性可在某些孤立频率点上为0，但不能在某个有限频带内为0。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-73页页页 ■ 电子教案电子教案 3.8取样定理 3.8取样定理取样定理论述了在一定条件下，一个连续信号完全可以用离散样本值表示。这些样本值包含了该连续信号的全部信息，利用这些样本值可以恢复原信号。可以说，取样定理在连续信号与离散信号之间架起了一座桥梁。为其互为转换提供了理论依据。一、信号的取样所谓“取样”就是利用取样脉冲序列s(t)从连续信号 f(t)中“抽取”一系列离散样本值的过程。这样得到的离散信号称为取样信号。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-74页页页 ■ 电子教案电子教案 3.8取样定理如图一连续信号f(t) f(t) 0 t 用取样脉冲序列s(t)(开关函数）进行取样，取样间隔为T S ，f S =1/T S 称为取样频率。 t s(t) 1 …… TS 2TS 3TS0 得取样信号 f S (t) = f(t)s(t) × f(t) s(t) fs(t) t f(t)s(t) 1 …… TS 2TS 3TS0 取样信号f S (t)的频谱函数为 F S (jω)=(1/2π)F(jω)*S(jω) 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-75页页页 ■ 电子教案电子教案 3.8取样定理冲激取样若s(t)是周期为T s 的冲激函数序列δ Ts (t),则称为冲激取样。如果f(t) 是带限信号[即f(t)的频谱只在区间（- ω m ，ω m )为有限值，而其余区间为0。设f(t)←→F(jω)，取样信号f S (t)的频谱函数 F S (jω)= (1/2π)F(jω)* ω S δ ω s (ω) ∑ ∞ ?∞= ?= n S S njF T )]([ 1 ωω ω S =2π/T S s(t)=δ Ts (t) ←→ω S δ ω s (ω) ∑ ∞ ?∞= ?= n S nTt )(δ ∑ ∞ ?∞= ?= n SS n )( ωωδω 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-76页页页 ■ 电子教案电子教案 3.8取样定理 f(t) t0 × (1) δ Ts(t) t0 Ts 2Ts-Ts …… = 0 t …… fs(t) Ts 2Ts-Ts 1 F(jω) ω0ωm-ωm ω …… (ωS) ωSδ ωs(t) 0 ωS-ωS π2 1 * = 0ωm-ωmωS-ωS FS(jω) ω 1/TS 上面在画取样信号f S (t)的频谱时，设定ω S ≥2ω m ,这时其频谱不发生混叠，因此能设法(如利用低通滤波器)，从F S (jω)中取出F(jω)，即从f S (t)中恢复原信号f(t)。否则将发生混叠，而无法恢复原信号。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-77页页页 ■ 电子教案电子教案 3.8取样定理二、时域取样定理当ω S ≥2ω m 时，将取样信号通过下面的低通滤波器 ? ? ? > < = C CS T jH ωω ωω ω ||,0 ||, )( 其截止角频率ω C 取ω m <ω C <ω S -ω m 。即可恢复原信号。由于f s (t)= f(t)s(t) = f(t) ∑∑ ∞ ?∞= ∞ ?∞= ?=? n ss n s nTtnTfnTt )()()( δδ H(jω) ←→h(t) = )( tSaT c c S ω π ω 为方便，选ω C = 0.5ω S ,则Tsω C /π=1 信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-78页页页 ■ 电子教案电子教案 3.8取样定理 ) 2 ()( t Sath S ω = 所以根据f(t)=f S (t)*h(t) ，有 ])( 2 Sa[)() 2 Sa(*)()()( ∑∑ ∞ ?∞= ∞ ?∞= ?=?= n s s s n s ss nTtnTf t nTtnTftf ωω δ 只要已知各取样值f(nT s ),就出唯一地确定出原信号f(t)。时域取样定理：一个频谱在区间（-ω m ，ω m )以外为0的带限信号f(t), 可唯一地由其在均匀间隔T s [T s <1/(2f m )] 上的样值点 f(nT s )确定。注意：为恢复原信号，必须满足两个条件：（1）f(t) 必须是带限信号；（2）取样频率不能太低，必须 f s >2f m ，或者说，取样间隔不能太大，必须T s <1/(2f m ); 否则将发生混叠。信号与系统信号与系统 ?西安电子科技大学电路与系统教研中心第第第 4-79页页页 ■ 电子教案电子教案通常把最低允许的取样频率f s =2f m 称为奈奎斯特（Nyquist)频率，把最大允许的取样间隔T s =1/(2f m )称为奈奎斯特间隔。频域取样定理：根据时域与频域的对偶性，可推出频域取样定理。一个在时域区间（-t m ,t m )以外为0的时限信号f(t)的频谱函数F(jω)，可唯一地由其在均匀频率间隔f s [f s <1/(2t m )] 上的样值点F(jnω s )确定。 3.8取样定理 ∑ ∞ ?∞= =?= n m mm m f tnt t n jFjF 2 1 ,)Sa()()( πω π ω

课件简介

课件名称：	西安电子科技大学：信号与系统
课件分类：	电气与自动化
课件类型：	电子图书
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